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1 XXVI CONSOLDA - CONGRESSO NACIONAL DE SOLDAGEM De 03 à 06 de Setembro de 2000 Curitiba - PR COMPARAÇÃO DE UMA NOVA CONCEPÇÃO DE SISTEMA SINÉRGICO COM UM SISTEMA SINÉRGICO COMERCIAL NA SOLDAGEM MIG PULSADO DE AÇO INOXIDÁVEL (1) Paulo S. S. Bálsamo (2) Louriel O. Vilarinho (3) Américo Scotti RESUMO O objetivo deste trabalho foi desenvolver uma nova concepção de um sistema sinérgico não linear para soldagem de aço inoxidável através do processo MIG pulsado e avaliá-lo frente a um sistema sinérgico comercial. Para fazer a comparação, foi programado uma série de experimentos de soldagens com ambos os sistemas, varrendo uma faixa de corrente média, monitorando e medindo a freqüência de transferência e diâmetro médio das gotas e instante de ocorrência da transferência e comprimento do arco. Os resultados mostraram que o sistema sinérgico desenvolvido ajusta os parâmetros de soldagem de forma a obter praticamente o mesmo comprimento de arco desejado para uma ampla faixa de corrente média, o que não não acontece atualmente com o sistema comercial. Além disso, o diâmetro médio das gotas foi sempre menor e o sistema mostrou-se mais robusto (em relação à variações do modo e do instante da transferência das gotas) do que quando operando com o sistema comercial. Palavras-chave: MIG pulsado; Comando Sinérgico; Aço inoxidável. ABSTRACT The aim of this work was develop a new non-linear synergic system for welding stainless steel using pulsed MIG process and assay it by comparison with the commercial synergic one. For that, a series of experiments covering a range of mean current was planned for both systems. The metal transfer frequencies, average droplet diameters, detachment moments and arc lengths were monitored and measured. The results showed that the developed system sets the parameters in such a way that practically the same arc length is obtained along the whole range of current, in contrast to the commercial system. In addition, the average droplet diameter was always smaller and the system more robust (to variation over transfer mode and detachment moment) than when used the commercial system. Key Words: Pulsed MIG, Synergic Control, Stainless steel (1) Engenheiro Mecânico, Dr. em soldagem, Centro de Pesquisa da ACESITA SA. Praça 1o de maio, 9 Centro. CEP. 35180-018, Timóteo, MG, tel (031) 849-7180, fax (031) 849-7501 e-mail: pbalsamo@acesita.ind.br (2) Engenheiro Mecânico, MSc. em Soldagem, doutorando no LAPROSOLDA da Universidade Federal de Uberlândia, 38400-902, Uberlândia, MG, tel (034) 239 4149 – ramal 54, fax (034) 239 4206, e-mail: vilarinho@mecanica.ufu.br (3) Engenheiro Mecânico, PhD em Soldagem, professor/pesquisador do LAPROSOLDA da Universidade Federal de Uberlândia, 38400-902, Uberlândia, MG, tel (034) 239 4192 - ramal 240, fax (034) 239 4206, e-mail: ascotti@mecanica.ufu.br 2 XXVI CONSOLDA - CONGRESSO NACIONAL DE SOLDAGEM De 03 à 06 de Setembro de 2000 Curitiba - PR 1. INTRODUÇÃO A medida que os processos de soldagem tornaram-se mais sofisticados, a automação é cada vez mais utilizada e com isto o número de variáveis controláveis também cresce. Por exemplo, para os processos de soldagem que utilizam corrente pulsada não basta a especificação dos valores médios de corrente e tensão, mas é preciso que se atente para todas as componentes destas grandezas elétricas constituídas pelos seus valores de pulso e de base e seus respectivos tempos de duração. Além disso, é fundamental conhecer o inter-relacionamento das variáveis elétricas com outras variáveis do processo para obter uma alta qualidade dos cordões de solda. O ajuste correto dos parâmetros da onda para uma dada corrente média torna possível conseguir uma transferência estável e que propicie um tamanho de gota fundente aceitável. Estas condições devem ser atingidas para cada velocidade de alimentação, garantindo uma operação estável em toda faixa operacional. Vários autores (1, 2, 3, 4 e 5) têm sugerido que a condição mais adequada para se conseguir uma transferência mais estável é a de uma gota por período de onda e que esta gota ocorra durante o pulso da corrente. Além disso, que o diâmetro da gota seja igual ao diâmetro do eletrodo. Esta complexidade de ajuste dos parâmetros de soldagem demandou o desenvolvimento de equipamentos com o chamado “Controle Sinérgico”Nota 1. Em um sistema de comando sinérgico comercial (convencional), cujo fluxograma representativo é apresentado na Figura 1, a variação da capacidade de fusão do eletrodo em função da variação da velocidade de alimentação desejada é conseguida através da alteração da corrente média pela variação da freqüência de pulsação, mas mantendo-se a duração e a amplitude do pulso constantes; acredita-se que esta condição preserve o princípio básico do MIG/MAG pulsado, que consiste em se obter uma única gota por pulso e com o diâmetro igual ao diâmetro do eletrodo. Porém, este sistema possui algumas limitações, decorrentes dos princípios de funcionamento das suas rotinas de comando. A primeira delas é o parâmetro de comando, o qual nas máquinas convencionais é a velocidade de alimentação, ou seja, a corrente torna-se uma conseqüência do valor imposto para a alimentação do arame. Uma segunda limitação é a utilização de uma relação linear entre a velocidade de alimentação (Va) e corrente média (Im), ou seja, Va = K*Im, onde o K é função do material e diâmetro do eletrodo, tipo e vazão do gás de proteção, etc. A forma de onda do sinal de corrente é assumida como perfeitamente retangular, outra simplificação dos algoritmos de comando. O fato de utilizar velocidade de alimentação ao invés da corrente média como parâmetro de comando, dificulta o operador ajustar o equipamento para a energia de soldagem desejada. E o uso de equação linear com formato de onda não real pode agregar alguns erros nas condições otimizadas, principalmente em altas correntes médias (6). Em decorrência das limitações apresentadas, este trabalho propõe o desenvolvimento de uma nova concepção de um sistema sinérgico, utilizando uma relação não linear entre a velocidade de alimentação do arame e a corrente média onde, o cálculo da corrente média é baseado em um formato de onda trapezoidal. Neste novo sistema, o ajuste dos parâmetros se faz pelo valor da corrente média desejada, mantendo-se uma condição otimizada de destacamento de gotas em qualquer faixa de corrente. A Nota 1 Na verdade, apesar do termo Controle ser usado universalmente, a expressão Controle Sinérgico não se aplica neste tipo de equipamento, e sim comando sinérgico. 3 XXVI CONSOLDA - CONGRESSO NACIONAL DE SOLDAGEM De 03 à 06 de Setembro de 2000 Curitiba - PR escolha por um modelo não linear com um formato de onda trapezoidal baseou-se em estudos anteriores (6). 1.1. Comando Sinérgico Proposto (Algo_Ñlinear)Nota 2 Neste algoritmo, utiliza-se uma relação não linear entre a velocidade de alimentação e a corrente média além da forma de onda da corrente pulsada ser baseada no formato trapezoidal (Figura 2). As Equações 1 e 2 representam, respectivamente, a corrente média e a velocidade de alimentação para este algoritmo (o detalhamento e avaliação deste algoritmo foi apresentado em outra publicação (7)), )tt( )tt.(I 2 )II.(t )II.(t 2 )II.(t I bp bpb bp3 bp2 bp1 m + ++ − +−+ − = (1); + − − + − ++= dt dI ).tt.(3 )II( )tt( t.t.)II( I..IV bp 3 bp 2 bp bp 2 bp2 mema !βα (2). onde: Ip é a corrente de pulso, Ib é a corrente de base, tp é o tempo de pulso, tb é o tempo de base, t1, t2 e t3 são constantes de tempo para definir o formato da onda trapezoidal (Figura 2), dI/dt é a taxa de variação da corrente no tempo (subida = descida), le é o comprimento de eletrodo, α e β são constantes de proporcionalidade que dependem das condiçõesde soldagem. A Figura 3 mostra o fluxograma simplificado deste algoritmo não linear (Algo_Ñlinear). Inicialmente deve-se definir os parâmetros de entrada: corrente e tempo de pulso (Ip e tp) que produz a condição de uma gota por pulso (UGPP), corrente média (Im), constantes paramétricas α, β e k (dependentes do material, diâmetro de eletrodo e gás de proteção), diâmetro do eletrodo (de), comprimento de arco desejado (la), condições de contorno (Ibmin, Ibmax, tbmin e tbmax) e as constantes de tempo para definir o formato da onda trapezoidal (t1, t2 e t3). A partir destes parâmetros de entrada, o algoritmo calcula inicialmente os parâmetros de base (Ib e tb), velocidade de alimentação (Va) e diâmetro de gota (dg) usando o modelo linear e, se Ib e tb calculados não pertencerem as condições de contorno estabelecidas, o algoritmo efetua a correção destes parâmetros e de Va através de um incremento (no caso de Ib < Ibmin ou tb < tbmin) ou decremento (no caso de Ib > Ibmax ou tb > tbmax) do diâmetro de gota. Com os resultados de Va, Ib, tb e dg calculados através do modelo linear, passa-se a calcular (refinar) estes parâmetros através do modelo não linear, com o formato de onda trapezoidal. O valor de Va linear é utilizado como uma primeira aproximação para o calculo de Va, Ib, tb e dg no modelo não linear, através de um processo recursivo. Existe a possibilidade da convergência só se dar para dg ≠ de (negando uma das premissas do processo MIG pulsado), mas o algoritmo tenta aproximar ao máximo do valor de dg desejado. Desta forma, o algoritmo efetua uma correção nos parâmetros Va, Ib e tb calculados através de uma maximização e/ou uma minimização do diâmetro de gota, chegando ao final da rotina com o valor de Va para produzir o comprimento de arco desejado em função da corrente média de entrada e os menores valores possíveis de dg, Ib e tb. 4 XXVI CONSOLDA - CONGRESSO NACIONAL DE SOLDAGEM De 03 à 06 de Setembro de 2000 Curitiba - PR 2. METODOLOGIA E PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL Para comparar o sistema sinérgico proposto com um sistema comercial, foi programada uma série de experimentos cobrindo uma faixa de corrente média típica para um eletrodo de aço inoxidável da classe AWS ER 308LSi e 1,2 mm de diâmetro. Os parâmetros elétricos foram monitorados e a transferência metálica foi filmada usando um sistema moderno de visualização de arco, denominada de Shadowgrafia Sincronizada (8); esta técnica permite a aquisição dos sinais elétricos de soldagem (corrente e tensão) em sincronismo com as imagens de transferência metálica. A comparação do desempenho de ambos sistemas sinérgicos foi feita baseada nas diferenças de freqüência de transferência das gotas, diâmetro médio das gotas, instante de ocorrência das transferências e comprimento dos arcos. Para garantir uma melhor comparação, os valores intrínsecos dos algoritmos de cálculo de cada sistema foram feitos iguais; isto é, mesmo par IP e tp e as mesmas constantes paramétricas α, β e k. Estes valores foram obtidos nas mesmas condições experimentais (7) e estão apresentados na Tabela 1. Assim, de acordo com a Tabela 1, um sistema sinérgico comercial pode trabalhar usando como parâmetros no algoritmo de comando apenas os valores de Ip, tp, k ao assumir um valor específico para a distância do bico de contato-peça (DBCP) e de comprimento de arco (la). Estes valores foram passados ao fabricante para que fossem gravados na EPROM do microprocessador do equipamento. Já o sistema proposto requer os valores de Ip, tp, k, α e β e assume, também, um valor específico para DBCP e para o la, no caso iguais para ambos sistemas. Estes valores foram colocados como constantes num programa desenvolvido em linguagem C, com o qual o equipamento podia ser comandado através de uma interface fonte-microcomputador. A partir daí, selecionou-se 5 valores de corrente média (80 A, 110 A, 130 A, 140A e 170 A) e os sistemas sinérgicos ajustaram os respectivos valores de velocidade de soldagem e parâmetros de pulso. As soldagens, em simples deposição sobre chapas de aço inoxidável (AISI 304L), com dimensões de 270x50x3,5 mm, foram feitas utilizando uma bancada experimental esquematicamente apresentada na Figura 4. 3. RESULTADOS E DISCUSSÕES A Tabela 2 mostra os resultados obtidos após as soldagens: parâmetros de pulso (Ib, tb, Ip e tp), corrente média (Im) e o valor do Ajuste Fino. O Ajuste Fino consiste em uma versatilidade do sistema sinérgico comercial utilizado para obter o comprimento de arco (la) desejado pelo operador. Ou seja, quando o algoritmo não produz um valor de la desejado, o operador varia la através da variação da velocidade de alimentação do arame sem que os parâmetros de pulso mudem e, consequentemente, sem mudança na corrente média. Este recurso foi utilizado pois, em pré-testes para a faixa de corrente média, a solda obtida pelo sistema sinérgico comercial produzia um comprimento de arco muito grande (la > 10 mm). Fica claro que quanto maior o valor de Im, maior a variação requerida na escala do Ajuste Fino (Tabela 2). Os resultados referentes ao tratamento das imagens das transferências metálicas obtidas (la, dg e Fg), bem como a corrente média e a freqüência de pulsação (Fp) estão apresentados na Tabela 3. Diante dos resultados apresentados para os dois sistemas nas Tabelas 2 e 3, para as mesmas condições iniciais de soldagem, pode-se afirmar que o sistema sinérgico 5 XXVI CONSOLDA - CONGRESSO NACIONAL DE SOLDAGEM De 03 à 06 de Setembro de 2000 Curitiba - PR desenvolvido mostrou alguns avanços importantes em relação ao sistema sinérgico comercial, a saber: i. Em relação ao comprimento de arco (la) obtido para os dois sistemas, verificou-se que no sistema proposto (Algo_Ñlinear) la permaneceu praticamente constante em torno do valor médio estabelecido de 5 mm, para toda a faixa de corrente média estudada. Já para o sistema comercial, o comprimento de arco obtido foi muito alto sempre acima de 10 mm, fazendo com que o operador utilizasse do recurso de Ajuste Fino, para chegar a valores mais próximos do valor estabelecido de 5 mm, sendo inclusive mais necessário este recurso quanto maior fosse o valor de corrente média imposto. Na Tabela 3 estão mostrados os valores de la, após a utilização do Ajuste Fino. Esse fato mostra que a utilização de um modelo não linear entre velocidade de alimentação do arame e corrente média (sinérgico desenvolvido) é mais adequado do que o modelo linear proposto para o sinérgico comercial. Ou seja, o sistema desenvolvido é mais eficiente do que o proposto, pois não depende de interferências do operador para alcançar o comprimento desejado.; ii. Os diâmetros médios das gotas (dg) obtidas foram sempre maiores no caso do sistema comercial para um mesmo valor de corrente média (Im). Aparentemente, este fato está ligado ao modo de variação dos parâmetros de base para produzir a corrente média desejada. No caso do sistema comercial, preferencialmente varia- se a corrente de base e no sistema proposto procura-se trabalhar com os menores valores possíveis de corrente de base através de uma variação combinada da corrente de base e tempo de base, objetivando uma minimização do diâmetro médio das gotas; iii. Em relação ao modo de transferência metálica, o sistema desenvolvido mostrou ser mais robusto do que o comercial. Esta robustez, esta ligada ao fato de que em toda a faixa de corrente média estudada (80 A à 170 A) o sistema proposto manteve a premissa do processo MIG pulsado de uma gota por pulso (UGPP), já o comercial apresentou irregularidades no modo de transferência, principalmente para valores de corrente média mais baixas (verificar a diferença entre Fp e Fg apresentada na Tabela 3). Outro fato importante diz respeito ao aparecimento de gotas secundárias para valores de corrente média acima de 105 A. Estas gotas secundárias apresentaram um diâmetro médio de aproximadamente 60% a 70% do diâmetro da gota principal, mostrando uma tendência do modo de transferênciametálica deixar de ser de “uma gota por pulso” e caminhar para o modo de “mais de uma gota por pulso”. 4. CONCLUSÕES Pelos resultados obtidos com o eletrodo ER 308 LSi com 1,2 mm de diâmetro e gás de proteção Ar + 2%O2 mostra-se que sistema sinérgico proposto é: ! Capaz de obter com grande precisão o comprimento de arco desejado em uma ampla faixa de corrente média, ao contrário do sistema comercial onde há a necessidade de se utilizar o recurso de Ajuste Fino; ! Capaz de obter gotas de diâmetro médio menores e mais próximas do diâmetro do arame do que o obtido pelo sistema comercial; 6 XXVI CONSOLDA - CONGRESSO NACIONAL DE SOLDAGEM De 03 à 06 de Setembro de 2000 Curitiba - PR ! Mais robusto em relação à variação do modo e instante da transferência das gotas do que o comercial. 5. AGRADECIMENTOS Os autores deste trabalho gostariam de agradecer o suporte financeiro do CNPq e CAPES, sem os quais não seria possível realizá-lo e, também, reconhecer o apoio material do Laprosolda/UFU, da Acesita SA e da White Martins SA. 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1 ALLUM, C.J. (1985). Recent Developments in Pulsed Gas Metal Arc Welding, Welding for Challenging Environments, outubro de 1985, pp 1 - 10. 2 ALLUM, C.J. & QUINTINO, L (1984). Control of Fusion Characteristics in Pulsed Currente GMAW Part I – Fusion Characteristics. Doc. IIW 212-582-84, 1984. 49p. 3 ELLIOT, S (1985). Using synergic MIG successfully, Metal Construction, March, 1985. pp.148-151. 4 NORRISH, J (1992). Gas metal arc welding. In: Advanced Welding Processes. IOP Publishing, Bristol, Philadelphia and New York, 1992. Pp. 131-173. 5 SUBRAMANIAM, S. (1996). Process Modeling and Analysis for Pulsed Gas Metal Arc Welding of an Aluminum Automotive Spaceframe, Tese de Doutorado, West Virginia University, 1996, 227p. 6 BALSAMO, P.S.S.; VILARINHO, L. O. & SCOTTI, A (1999). Proposta de Uma Nova Concepção Sinérgica para Soldagem MIG pulsado de Aço Inoxidável, VI Seminário Brasileiro do Aço Inoxidável, São Paulo SP, Maio, 1999. 7 BALSAMO, P.S.S. (2000). Desenvolvimento de um Sistema Sinérgico Não Linear para Soldagem MIG Pulsado de Aço Inoxidável, Tese de Doutorado, Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, MG, Fev./2000. 208p. 8 BALSAMO, P.S.S. et al. (2000). Development of an Experimental Technique for Studying Metal Transfer In Welding: Synchronized Shadowgraphy, artigo submetido ao The International Journal for Joining of Materials, Denmark. Cálculo de Im am V*kI = Saída " Ip, tp, Ib e tb " Im " UGPP " dg " !a desejado Cálculo de tb pb tTt −= Cálculo de Ib b ppbpm b t t.I)tt.(I I −+ = Entrada " Ip e tp " Va " K, dg e de Cálculo de T a 2 e 3 g V.d.5,1 d T = Figura 1 – Fluxograma representativo da lógica de um algoritmo comercial. 7 XXVI CONSOLDA - CONGRESSO NACIONAL DE SOLDAGEM De 03 à 06 de Setembro de 2000 Curitiba - PR Figura 2 - Representação de um oscilograma da corrente, com formato de onda trapezoidal. ENTRADA Ip, tp, Im Ibmínimo depende do material Ibmáximo = 90% de Im; tbmínimo= tp; tbmáximo = 30 ms le, α, β, de, dg; t1, t2, t3 (Modelo Trapezoidal) CALCULAR (LINEAR) Va, T, Ib, tb, dg CALCULAR (TRAPEZOIDAL) Va, T, Ib, tb, dg CÁLCULO CORRETIVO DE dg. MAXIMIZAÇÃO OU MINIMIZAÇÃO IMPRIMIR (Trapézio) Va, T, Ib, tb, dg Figura 3 – Fluxograma representativo da lógica do algoritmo proposto Algo_ÑLinear. 8 XXVI CONSOLDA - CONGRESSO NACIONAL DE SOLDAGEM De 03 à 06 de Setembro de 2000 Curitiba - PR Sinal da câmera Placa AD 1 Sinal de tensão Sinal de corrente Placa AD 2 Câmera de Tocha Sensor de alta velocidade corrente Circuito Eletrônico de tensão Divisor Micro 1 Micro 2 Sistema 1 Sistema 2 Cabo da tocha Fonte de Alimentador de arame soldagem Monitor de vídeo Sistema laser- óptico Figura 4 – Representação esquemática da bancada experimental. Tabela 1 – Condições iniciais para os sistemas sinérgicos comercial e proposto. Parâmetros Sistema Comercial Sistema Proposto Equipamento de soldagem* Fonte eletrônica chaveada no secundário, com controle microprocessado (sinergismo embutido) Fonte eletrônica chaveada no secundário, com controle analógico (sinergismo através de interface fonte-computador Material do eletrodo AWS ER 308Lsi AWS ER 308Lsi Diâmetro do eletrodo 1,2 mm 1,2 mm Gás de proteção Ar + 2%O2 Ar + 2%O2 Parâmetros de pulso** Ip = 285 A e tp = 5,7 ms Ip = 285 A e tp = 5,7 ms Comprimento de arco desejado 5 mm 5 mm Distância Bico de Contato- Peça 20 mm 20 mm Constante k 0,0206 m/A.min 0,0206 m/A.min Constante α --- 0,35 mm.A-1.s-1 Constante β --- 7,8 x 10-5 A-2.s-1 * As fontes de soldagem são do mesmo fabricante. Desta forma, além das diferenças ligadas ao desempenho de cada sistema, pouca influência é esperada na dinâmica da fonte. ** Parâmetros de pulso que produz a condição de uma gota por pulso. 9 XXVI CONSOLDA - CONGRESSO NACIONAL DE SOLDAGEM De 03 à 06 de Setembro de 2000 Curitiba - PR Tabela 2 – Valores de ajuste e monitorados para as soldagens com os dois sistemas sinérgicos. Sistemas Teste Ip (A) tp (ms) Ib (A) tb (ms) Im (A) Ajuste Fino * 01 24 21,1 80 --- 02 24 11,6 111 --- 03 24 8,9 127 --- 04 24 7,2 139 --- Proposto 05 285 5,7 52 6,0 166 --- 06 40 32,4 77 -9 07 58 22,1 105 -9 08 71 18,5 121 -11 09 80 16,3 133 -12 Comercial 10 285 5,7 103 12,8 159 -14 * Estes ajustes finos se fizeram necessários no caso do Sinérgico Comercial para que o comprimento de arco se aproximasse do desejado (la = 5 mm). Tabela 3 – Resultados da análise das imagens das transferências metálicas em sincronismo com os oscilogramas de corrente e tensão de soldagem. Sistemas Teste Fg (Hz) Fp (Hz) DIF(F) * (%) la (mm) dg (mm) 01 38,09 37,09 2,63 5,103±0,225 1,476±0,052 02 58,62 57,21 2,41 5,121±0,236 1,348±0,058 03 69,64 67,93 2,46 5,035±0,252 1,313±0,054 04 78,96 76,69 2,87 5,030±0,126 1,305±0,038 Proposto 05 86,39 84,32 2,40 4,874±0,212 1,401±0,064 06 28,18 26,17 7,11 4,616±0,212 1,713±0,074 07 40,00 35,89 10,28 6,598±0,255 1,392±0,057 08 39,57 41,23 4,19 5,696±0,227 1,365±0,059 09 42,02 45,36 7,96 6,508±0,324 1,584±0,052 Comercial 10 52,57 53,96 2,65 6,513±0,297 1,489±0,061 * DIF(F) corresponde a diferença relativa entre as freqüências Fp e Fg. Índice por Títulos: Índice por Autor:
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